单片机发展前景

单片机的现状也发展前景
计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。

以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。

单片机在浮现时，Intel 公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器 (embedded microcontroller)。

单片机的最明显的优势，就是可以
嵌入到各种仪器、设备中。

这一点是巨型机和网络不可能做到的。

在本文，介绍单片机的最新技术进步，包括数字单片机的工艺及技术，含糊单片机的工艺及技术，单片机的可靠性技术，以及以单片机为核心的嵌入式系统。

数字单片机的技术发展
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及创造工艺上。

在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。

在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。

下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。

1、内部结构的进步
单片机在内部已集成为了越来越多的部件，这些部件包括普通常用的电
路，例如：定时器，比较器，A/D 转换器，D /A 转换器，串行通信接口，Watchdog 电路，LCD 控制器等。

有的单片机为了构成控制网络或者形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。

例如，Infineon 公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola 公司的68HC08AZ 系列等。

特
别是在单片机C167CS-32FM 中，内部还含有2 个CAN。

因此，这类单片机十分容易构成网络。

特殊是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分实用。

为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。

有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu 公司的MB89850 系列、MB89860 系列；Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24 等。

在这些单片机中，
脉宽调制电路有6 个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。

特殊引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核 (TrCore) 结构。

这是一种建立在系统级芯片 (System on a chip) 概念上的结构。

这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP 核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。

这种单
片机的最大特点在于把DSP 和微控制器同时做在一个片上。

虽然从
结构定义上讲，DSP 是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高
速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。

把它和传统单片机结合
集成大大提高了单片机的功能。

这是目前单片机最大的进步之一。

这
种单片机最典型的有Infineon 公司的TC10GP；Hitachi 公司的
SH7410，SH7612 等。

这些单片机都是高档单片机，MCU 都是32
位的，而DSP 采用16 或者32 位结构，工作频率普通在60MHz 以上。

2、功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小，特殊是不少单片机都设置了多种工
作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空暇，节电等工作方式。

Philips 公司的单片机P87LPC762 是一个很典型的例子，在空暇时，其功耗为1.5 mA，而在节电方式中，其功耗惟独0.5mA。

而在
功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430 系列，它是一个16 位的系列，有超低功耗工作方式。

它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4 三种。

当电源为3V 时，如果工作于LMP1 方式，即使外围电
路处于活动，由于CPU 不活动，振荡器处于1~4MHz，这时功耗只
有50?A。

在LPM3 时，振荡器处于32kHz，这时功耗惟独1.3?A 。

在LPM4 时，CPU、外围及振荡器32kHz 都不活动，则功耗惟独
0.1?A。

现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的浮现，单片机也
大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式浮现，以大量减少体积。

在这种形势中，Microchip 公司推出的8 引脚的单片机特殊引人注目。

这是PIC12CXXX 系列。

它含有0.5~2K 程序存储器，25~128 字节数据存储器，6 个I/O 端口以及一个定时器，有的还含4 道A/D ，完全可以满足一些低档系统的应用。

扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。

目前，普通单片机都可以在 3.3~5.5V 的条件下工作。

而一些厂家，则生产出可以在 2.2~ 6V 的条件下工作的单片机。

这些单片机有Fujitsu 公司的MB89191~ 89195 ，MB89121~125A，MB89130 系列等，应该说该公司的
F2MC-8L 系列单片机绝大多数都满足2.2~6V 的工作电压条件。

而TI 公司的MSP430X11X 系列的工作电压也是低达2.2V 的。

3、工艺上的进步
现在的单片机基本上采用CMOS 技术，但已经大多数采用了0.6?m 以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola 公司则已采用0.35?m 甚至是0.25?m 技术。

这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

以单片机为核心的嵌入式系统
单片机的此外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到
任何微型或者小型仪器或者设备中。

目前，把单片机嵌入式系统和Internet 连接已是一种趋势。

但是，Internet 一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。

这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，
但对于控制嵌入式器件就成为了杀鸡用牛刀了。

要实现嵌入式设备和Int ernet 连接，就需要把传统的Internet 理论和嵌入式设备的实
践都颠倒过来。

为了使复杂的或者简单的嵌入式设备，例如单片机控
制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet 连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以
和Internet 相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。

目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet 相连，已有多家
公司在进行这方面的较多研究。

这方面较为典型的有emWare 公司
和TASKING 公司。

EmWare 公司提出嵌入式系统入网的方案--EMIT 技术。

这个技术包
括三个主要部份：即emMicro，emGateway 和网络浏览器。

其中，emMicro 是嵌入设备中的一个只占内存容量1K 字节的极小的网络服
务器；emGateway 作为一个功能较强的用户或者服务器，它用于实
现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的Internet 通信接入以及网
络浏览器的支持。

网络浏览器使用emObjicts 进行显示和嵌入式设
备之间的数据传输。

如果嵌入式设备的资源足够，则emMicro 和emGateway 可以同时装入嵌入式设备中，实现Inter net 的直接接入。

否则，将要求emGateway 和网络浏览器相互配合。

EmWare 的EMIT 软件技术使用标准的Internet 协议对8 位和16 位嵌入式设备进行管理，但比传统上的开消小得多。

目前，单片机应用中提出了一个新的问题：这就是如何使8 位、16 位单片机控制的产品，也即嵌入式产品或者设备能实现和互联网互连？
TASKING 公司目前正在为解决这个问题提供了途径。

该公司已把emWare 的EMIT 软件包和有关的软件配套集成，形成一个集成开辟环境，向用户提供开辟方便。

嵌入互联网联盟ETI(embed the Internet Consortium)正在密切合作，共同开辟嵌入式Internet 的解决方案。

在不久将会有成果发布。

单片机应用的可靠性技术发展
在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。

近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点：
1、EFT (Ellectrical Fast Transient)技术
EFT 技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC 滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。

这样，就提高了单片机工作的可靠性。

Motorola 公司的MC68HC08 系列单片机就采用了这种技术。

2、低噪声布线技术及驱动技术
在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或者右上、左下的两对对称点上。

这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。

现在，不少单
片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。

这样，不仅降低
了穿过整个芯片的电流，此外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。

现在为了适应各种应用的需要，不少单片机的输出能力都有了很大提高，Motorola 公司的单片机I/O 口的灌拉电流可达8mA 以上，而Microchip 公司的单片机可达25mA。

其它公司：AMD，Fujitsu，NEC ，Infineon，Hitachi，Ateml，Tosbiba 等基本上可达8~20mA 的水平。

这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每一个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低di/dt，这也就是所谓跳变沿软化技术，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

3、采用低频时钟
高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。

对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。

在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。

Motorola 公司的MC68HC08 系列及其1 6/32 位单片机就采用了这种技术以提高可靠性。

结束语
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
·可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。

·所集成的部件越来越多；NS (美国国家半导体)公司的单片机已把
语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。

原因是其内部已集成上各种应用电路。

·功耗越来越低和摹拟电路结合越来越多。

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。

综观三十年的发展过程，作为单片嵌入式系统的核心――单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O 功能等方向发展。

其进一步的发展趋势是多方面的。

(1) 全盘CMOS 化。

CMOS 电路具有许多优点，如极宽的工作电压范围；极佳的低功耗及功耗管理特性等。

CMOS 化已成为目前单片机及其外围器件流行的半导体工艺。

(2) 采用RISC 体系结构。

早期的单片机大多采用CISC 结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一；指令运行很难实现流水线操作，大大妨碍了运行速度的提高。

如MCS-51 系列单片机，当外部时钟为12MHz 时，其单周期指令运行速度也仅为1MIPS。

采用RISC 体系结构和精简指令后，单片机的指令绝大部份成为单周期指令，而通过增加程序存储器的宽度
(如从8 位增加到16 位)，实现了一个地址单元存放一条指令。

在这种体系结构中，很容易实现并行流水线操作，大大提高了指令运行速度。

目前一些RISC 结构的单片机，如美国ATMEL 公司的AVR 系列单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。

与MCS-51 相比，在相同的12MHz 外部时钟下，单周期指令运行速度可达12MIPS。

一方面可获得很高的指令运行速度，另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。

(3) 多功能集成化。

单片机在内部已集成为了越来越多的部件，这些部件不仅包括普通常用的电路，如：定时/计数器，摹拟比较器，A/D 转换器，D/A 转换器，串行通信接口，WDT 电路，LCD 控制器等，还有的单片机为了构成控制网络或者形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN 总线，以方便地构成一个控制网络。

为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。

有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路PWM。

(4) 片内存储器的改进与发展。

目前新型的单片机普通在片内集成两种类型的存储器：随机读写存储器SRAM ，做为暂时数据存储器存放工作数据用；只读存储器ROM ，做为程序存储器存放系统控制程序和固定不变的数据。

片内存储器的改进与发展的方向是扩大容量、ROM 数据的易写和保密等。

片内存储容量的增加。

新型的单片机普通在片内集成的SRAM 在128 字节至1K 字节，ROM 的容量普通为4K 字节至8K 字节。

为了适应网络、音视频等高端产品的需要，高挡的单片机在片内集成为了更大容量的RAM 和ROM 存储器。

如ATMEL 公司的ATmega16，片内的SRAM 为1K 字节，FlashROM 为16K 字节。

而该系列的高端产品ATmega256，片内集成为了8K 字节的SRAM ，256K 字节的FlashROM 和4K 字节的EEPROM。

片内程序存储器由EPROM 型向FlashROM 发展。

早期的单片机在片内往往没有程序存储器或者片内集成EPROM 型的程序存储器。

将程序存储器集成在单片机内可以大大提高单片机的抗干扰性能、提高程序的保密性、减少硬件的设计的复杂性和空间等许多优点，因此片内集成程序存储器已成为新型单片机的标准方式。

但由于EPROM 需要使用12v 高电压编程写入、紫外线光照擦除、重写入次数有限等缺点，这给使用带来了不便。

新型的单片机则采用FlashROM 以及MaskROM、OTPROM 做为片内的程序存储器。

FlashROM 在通常电压(如5v/3v) 下就可以实现编程写入和擦除操作，重写次数在10000 次以上，并可实现在线编程写入ISP 技术的优点，为使用带来了及大的方便。

采
用MaskROM 的微控制器称为掩模芯片，它是在芯片创造过程中就将程序“写入”了，并永远不能改写。

采用OTPROM 的微控制器，其芯片出厂时片内的程序存储器是“空的”，它允许用户将自己编写好的程序一次性的编程写入，之后便再也无法修改了。

后两种类型的单片机适合于大批量产品生产的使用，而前两种类型的微控制器则适合产品的设计开辟、批量生产以及学习培训的应用。

程序保密化。

一个单片嵌入式系统的系统程序是系统的最重要的部份，是知识产权保护的核心。

为了片内的程序防止被非法读出复制，新型的单片机往往采用对片内的程序存储器采用加锁保密。

系统程序编程写入片内的程序存储器后，可以再对加密保护单元编程，使芯片加锁。

加锁加密后，从芯片的外部则无法读取片内的系统程序代码，若将加密单元擦除，则片内的程序也同时擦除掉，这样便达到了程序保密的目的。

(5) ISP 、IAP 及基于ISP 、IAP 技术的开辟和应用。

ISP(In System Programmable)称为在线系统可编程技术。

随着微控制器在片内集成EEPROM、FlashROM 的发展，导致了ISP 技术在单片机中的应用。

首先实现了系统程序的串行编程写入(下载)，使得不势必焊接在PCB 印刷电路板上的芯片取下，就可直接将程序下载到单片机的程序存储器中，淘汰了专用的程序下载写入设备。

其次，基于ISP 技术的实现，使摹拟仿真开辟技术重新兴起。

在单时钟、单指令运行的RISC 结构的单片机中，可实现PC 机通过串行电缆对目标系统的在线仿真调试。

在ISP 技术应用的基础上，又发展了IAP(In Application Programmable)技术，也称在应用可编程技术。

利用IAP 技术，实现了用户可随时根据需要对原有的系统方便的在线更新软件、修改软件，还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。

(6) 实现全面功耗管理。

采用CMOS 工艺后，单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能。

它包括：
传统的CMOS 单片机的低功耗运行方式，既闲置方式(Idle Mode)、掉电方式(Power Down Mode)。

双时钟技术。

配置有高速 (主)和低速 (子) 两个时钟系统。

在不需要高速运行时，则转入子时钟控制下，以节省功耗。

片内外围电路的电源管理。

对集成在片内的外围接口电路实行供电管理，当该外围电路不运行时，关闭其供电。

低电压节能技术。

CMOS 电路的功耗与电源电压有关，降低系统的供电电压，能大幅度减少器件的功耗。

新型的单片机往往具有宽电压 (3V－5V) 或者低电压 (3V) 运行的特点。

低电压低功耗是手持便携式系统重要的追求目标，也是绿色电子的发展方向。

(7)以串行总线方式为主的外围扩展。

目前，单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方面是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。

采用串行总线方式为主的外围扩展技术具有方便、灵便、电路系统简单、占用I/O 资源少等特点。

采用串行接口虽然比采用并行接口数据传输速度慢，但随着半导体集成电路技术的发展，大批采用标准串行总线通信协议 (如：SPI、I 2 C 、1-Wire 等) 的外围芯片器件的浮现，串行传输速度也在不断提高 (可达到1M－10M 的速率)，片内集成程序存储器而不必外部并行扩展程序存储器，加之单片嵌
入式系统有限速度的要求，使得以串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求，成为流行的扩展方式，而采用并行接口的扩展技术则成为辅助方式。

(8) 单片机向片上系统SOC 的发展。

SOC(System On Chip)是一种高度集成化、固件化的芯片级集成技术，其核心思想是把除了无法集成的某些外部电路和机械部份之外的所有电子系统电路全部集成在一片芯片中。

现在一些新型的单片机(如AVR 系列nxp 单片机) 已是SOC 的雏形，在一片芯片中集成为了各种类型和更大容量的存储器，更多性能更加完善和强大的功能电路接口，这使得原来需要几片甚至十几片芯片组成的系统，现在只用一片就可以实现。

其优点不仅是减小了系统的体积和成本，而且也大大提高了系统硬件的可靠性和稳定性。